專利名稱：一種測量毛細管內徑的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量毛細管內徑的方法和裝置，屬于分析化學領域，也屬于滲流力學基礎研究領域。
背景技術：
毛細管是色譜分析、滲流力學實驗中必需的一種部件。毛細管作為微分析的部件，在藥物分析、環境分析、生命科學分析中有著重要作用，是分析裝置的核心部分。由于要將其用在微尺度滲流環境，因此準確測量其內徑是正確使用的前提。對毛細管外徑、長度等參數可利用普通測量工具進行測量，但其內徑、壁厚卻難以用普通的工具來確定。
目前，工業上常用稱重法和子母規的方法來測定。但稱重法要求精確測定生產毛細管所用材料的密度，以保證內徑計算的準確性；子母規法則要求有精密的磨床去生產相應的子母規，保證子母規的精度后，再利用子母規去檢驗毛細管的內徑，此方法適用于生產廠家檢驗大批量毛細管的生產精度。另外，目前有文獻報道，可用毛細管滲流法和飽和液體法兩種方法來測定毛細管內徑。前者建立在毛細管滲流的相關理論基礎上，通過毛細管內徑與其滲流液體測滲透率之間的數學關系，利用液測滲透率參數來確定毛細管內徑；后者是將毛細管內充滿某種液體，通過對比飽和前后的質量差從而計算出毛細管內孔體積和內孔半徑。但這些方法僅適用于測量內徑在毫米數量級范圍內(0.01～0.1cm)的毛細管。
發明內容
本發明的目的在于彌補現有技術的不足，提供一種測量毛細管內徑的方法和裝置。本發明方法簡單、數據可靠，測定范圍在微米級，突破了以往方法的測量極限，而且避免了毛細管材質的密度、質量等對測量結果的影響；所用裝置結構簡單、設計合理，相關參數方便控制，數值易讀，處理數據方便、簡單。
實現本發明目的的技術方案是一種測量毛細管內徑的方法，包括以下步驟 (1)在20～30℃條件下，先將待測量的毛細管內壁用流體完全潤濕，然后向與該毛細管兩端連通的任一個儲液罐內注入與潤濕毛細管所用的同種流體，使毛細管該端端口被液封； (2)調節兩個儲液罐之間的壓力差ΔP，其數值由毛細管兩端的壓力顯示器的讀數差值得到，即ΔP＝P1-P2； (3)通過帶有CCD探測器的顯微鏡將毛細管及毛細管中的氣液界面放大后在計算機屏幕上顯像，測定氣液界面在計算機屏幕上特定長度內的通過時間，再結合顯微鏡的放大倍數，計算出毛細管中流體的實際運動速率v； (4)根據Washburn方程作v(ΔP)關系直線，由直線的橫截距得出Pc值，再根據Laplace公式計算出毛細管半徑r。
上述步驟(1)中是在使用毛細管前對毛細管內壁進行疏水化處理，具體步驟包括 (a)以疏水化試劑為溶質、非質子非極性溶劑為溶劑，配制質量百分含量為1～70％的溶液； (b)將配好的溶液注入毛細管任一端的儲液罐中，然后對此端進行施壓使毛細管中充滿溶液，維持反應1～15小時； (c)用非質子非極性溶劑充分洗滌毛細管以除去步驟(b)中未反應的試劑，然后將毛細管于100～300℃干燥，冷卻至室溫即得到內壁疏水化的毛細管。
所述疏水化試劑的結構通式為
或
，其中，R為彼此相同的含碳原子數1～40的烷基，X為Cl、Br或I。
所述非質子非極性溶劑為碳原子數3～40的直鏈烷烴及其全鹵代物、四氯化碳、六鹵代乙烷、結構對稱的烷烴或結構對稱且不含質子氫的芳香烴。
本發明還提供了上述測量毛細管內徑所用的裝置，該裝置包括流體流速測量單元和流體兩端壓力控制單元，所述流體流速測量單元包括計算機、與計算機相連的帶有CCD探測器的顯微鏡、置于顯微鏡下方的活動支架、置于活動支架上用于盛裝流體的儲液罐和兩端分別與儲液罐連通的毛細管；所述流體兩端壓力控制單元包括與儲液罐相連用于對流體兩端壓力進行傳感的壓力傳感器、與儲液罐相連的壓力緩沖罐、與壓力傳感器相連的壓力顯示器和與壓力緩沖罐相連的高壓儲氣瓶。
所述壓力緩沖罐上設有壓力調節閥。
與現有技術相比，本發明的優點如下 1.本發明方法是建立在毛細管內微流體動力學性質基礎之上，利用多個物理化學理論進行數學計算得到結果，不受毛細管材質的密度、質量等影響，因此數據可信，結果可靠。
2.本發明測量毛細管的內徑范圍達到了微米級，即內直徑在0.5μm～1mm的毛細管均可準確測量，在現有測量范圍上提高了一個數量級。
3.本發明的測量裝置組成簡單，使用方便，能可控地調節相關參數的測量過程，使之穩定可測，誤差小。若將流體流速測量和內徑計算的過程程序化，開發成軟件，則將大大提高工作效率和準確度。
圖1為本發明毛細管內流體流速測量單元的裝置示意圖，其中，1.計算機；2.帶有CCD探測器的顯微鏡；3.毛細管；4.儲液罐；5.活動支架； 圖2為本發明毛細管內流體兩端壓力控制單元的裝置示意圖，其中，6.壓力傳感器；7.壓力緩沖罐；8.氣壓調節閥；9.壓力顯示器；10.高壓氮氣瓶； 圖3為本發明計算毛細管內徑的相關參數的示意圖，其中，L為潤濕液體的液柱長，P1為毛細管液柱一端的壓強，P2為毛細管液柱另一端的壓強。
具體實施例方式 為了更好地理解本發明的內容，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明的內容不局限于以下實施例。
以下實施例中測量毛細管的內徑方法均采用如下裝置進行，該裝置包括流體流速測量單元(如圖1所示)和流體兩端壓力控制單元(如圖2所示)，流體流速測量單元包括計算機1、與計算機相連的帶有CCD探測器的顯微鏡2、置于顯微鏡2下方的活動支架5、置于活動支架5上用于盛裝流體的儲液罐4和兩端分別與儲液罐連通的毛細管3；流體兩端壓力控制單元包括與儲液罐4相連用于分別對流體兩端壓力進行傳感的壓力傳感器6、與儲液罐相連并設有壓力調節閥8的壓力緩沖罐7、與壓力傳感器6相連的壓力顯示器9和與壓力緩沖罐7相連的高壓氮氣瓶10(本實施例中的高壓儲氣瓶為高壓氮氣瓶)。
由高壓氮氣瓶10中的氮氣對注有流體的儲液罐4施加壓力，使毛細管中的氣液界面移動，并通過壓力緩沖罐7和壓力調節閥8對壓力進行緩沖和調節，控制毛細管中氣液界面的移動方向和移動速率。流體兩端的壓力(即兩個儲液罐內各自的氣壓)分別由壓力傳感器6傳感后，通過壓力顯示器9顯示出壓力數值，讀出兩端壓力值可得到兩個儲液罐之間的壓力差ΔP(即ΔP等于空的儲液罐的氣壓減去注有流體的儲液罐的氣壓)。調節活動支架5的水平位置和高度，使毛細管3位于顯微鏡2的鏡頭下方，通過顯微鏡2將毛細管和毛細管中的氣液界面進行放大，由CCD探測器將顯微鏡2接收的光學影像轉化為數字信號后通過數據線傳輸到計算機1并在計算機屏幕上顯像。測定氣液界面在計算機屏幕上特定長度內的通過時間，再結合顯微鏡的放大倍數即可計算出毛細管中流體的實際流速。
以下實施例中均采用如下方法來測量毛細管內徑，具體步驟為 (1)在20～30℃條件下，先將待測量的毛細管內壁用流體完全潤濕，然后向與該毛細管兩端連通的任一個儲液罐內注入與潤濕毛細管所用的同種流體，使毛細管該端端口被液封； (2)調節兩個儲液罐之間的壓力差ΔP，其數值由毛細管兩端的壓力顯示器的讀數差值得到，即ΔP＝P1-P2； (3)通過帶有CCD探測器的顯微鏡將毛細管及毛細管中的氣液界面放大后在計算機屏幕上顯像，測定氣液界面在計算機屏幕上特定長度內的通過時間，再結合顯微鏡的放大倍數，計算出毛細管中流體的實際運動速率v； (4)根據Washburn方程作v(ΔP)關系線，在L不變的情況下呈直線，由該直線的橫截距得出Pc值，再根據Laplace公式由于毛細管內液體能完全潤濕毛細管內壁，則θ＝0，從而計算出毛細管半徑r。上述方程和公式中，γ為氣液的界面張力，η為流體的粘度，θ為流體在內壁的潤濕角，Pc為毛細管力。計算毛細管半徑的相關參數示意圖見圖3。
根據所測流體的極性來選擇是否對毛細管內表面進行疏水化，所用的流體應能夠將毛細管的內壁表面完全潤濕。未經處理的毛細管表面為硅羥基表面，自然狀態下即是親水狀態，若流體的表面張力小于或等于水的表面張力，可不用進行疏水化處理；若流體沒有極性，則最好對毛細管的內表面進行疏水化處理。
對毛細管內壁進行疏水化處理的具體步驟為(a)以疏水化試劑為溶質、非質子非極性溶劑為溶劑，配制質量百分含量為1～70％的溶液；(b)將配好的溶液注入毛細管任一端的儲液罐中，然后對此端進行施壓使毛細管中充滿溶液，維持反應1～15小時；(c)用非質子非極性溶劑充分洗滌毛細管(如采用步驟(b)中的方法進行洗滌)以除去步驟(b)中未反應的疏水化試劑，然后將毛細管于100～300℃干燥，冷卻至室溫即得到內壁疏水化的毛細管。
上述疏水化試劑可以從結構通式為
或
的有機硅烷中選擇，其中，R為彼此相同的含碳原子數1～40的烷基，X為Cl、Br或I。例如可以選擇三甲基氯硅烷、三乙基氯硅烷、三丙基氯硅烷、三丁基氯硅烷、三己基氯硅烷、三辛基氯硅烷、三癸基氯硅烷、三(十二烷基)氯硅烷、三(十四烷基)氯硅烷、三(十六烷基)氯硅烷、三甲基溴硅烷、三甲基碘硅烷、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷、四丁氧基硅烷、四己氧基硅烷等。非質子非極性溶劑可以從碳原子數3～40的直鏈烷烴及其全鹵代物、四氯化碳、六鹵代乙烷、結構對稱的烷烴或結構對稱且不含質子氫的芳香烷烴中選擇，例如丙烷、正丁烷、正戊烷、正己烷、正辛烷、正癸烷、正十二烷、正十四烷、正十六烷、石油醚、新戊烷、2，2-二(乙基)戊烷、苯、對二甲苯、對二氯代苯等。
步驟(c)中最好使用與步驟(a)中相同的非質子非極性溶劑來洗滌毛細管，以避免污染測量時毛細管中的流體，但是也可以選用易除去的、性質與待測流體相似的溶劑。例如步驟(a)中采用的非質子非極性溶劑為碳原子數3～40的直鏈烷烴時，可以選用沸點在30～60℃的石油醚來洗滌毛細管。
實施例1 溫度T＝25.6℃時，標稱內徑為2μm(半徑1μm)、總長L＝128mm的毛細管中，水柱長度Lw＝53.80mm時，水柱長度Lw＝53.80mm時，分別測出幾組v值和對應的ΔP值，作v(ΔP)關系直線，由直線橫截距得出Pc＝157.82kPa，則半徑r＝2γ水/Pc＝(2×72mN/m)/(157.82kPa)＝0.91μm；水柱長度Lw＝68.80mm時，分別測出幾組v值和對應的ΔP值，作v(ΔP)關系直線，由直線橫截距得出Pc＝157.15kPa，則半徑r＝2γ水/Pc＝(2×72mN/m)/(157.15kPa)＝0.92μm；則標稱內徑為2μm(半徑1μm)毛細管的實際半徑r＝(0.91μm+0.92μm)/2＝0.92μm。
實施例2 溫度T＝25.3℃時，標稱內徑為40μm(半徑20μm)、總長L＝123mm的毛細管(內表面經過疏水化處理)中，癸烷柱長度Lw＝57.6mm時，分別測出幾組v值和對應的ΔP值，作v(ΔP)關系直線，由直線橫截距得出Pc＝157.82kPa，則半徑r＝2γ癸烷/Pc＝(2×23.83mN/m)/(2.407kPa)＝19.8μm；癸烷柱長度Lw＝72.6mm時，分別測出幾組v值和對應的ΔP值，作v(ΔP)關系直線，由直線橫截距得出Pc＝157.15kPa，則半徑r＝2γ癸烷/Pc＝(2×23.83mN/m)/(2.419kPa)＝19.7μm；則標稱內徑為40μm(半徑20μm)毛細管的實際半徑r＝(19.8μm+19.7μm)/2＝19.8μm。
實施例3 溫度T＝25.7℃時，標稱內徑為0.1mm(半徑50μm)、總長L＝125mm的毛細管中，水柱長度Lw＝55.30mm時，分別測出幾組v值和對應的ΔP值，作v(ΔP)關系直線，由直線橫截距得出Pc＝289.7Pa，則半徑r＝2γ水/Pc＝(2×72mN/m)/(289.7Pa)＝497μm；水柱長度Lw＝70.30mm時，分別測出幾組v值和對應的ΔP值，作v(ΔP)關系直線，由直線橫截距得出Pc＝288.6Pa，則半徑r＝2γ水/Pc＝(2×72mN/m)/(288.6Pa)＝499μm；則標稱內徑為0.1mm(半徑50μm)毛細管的實際半徑r＝(497μm+499μm)/2＝498μm。
本發明中是在溫度為20～30℃條件下測量毛細管內徑，其目的是保證測量過程中流體的粘度等流體性能不受溫度的影響，或隨溫度的變化很小可忽略不計。
綜上所述，本發明測量毛細管的內徑方法是建立在毛細管內微流體動力學性質基礎之上的。利用多個物理化學理論進行數學計算得到結果，測量毛細管的內徑的范圍在微米級，即對于內直徑在0.5μm～1mm的毛細管均可準確測量，數據可信，結果可靠，誤差小。因此，這套測定微米級毛細管內徑的方法及裝置十分有效。
權利要求
1.一種測量毛細管內徑的方法，其特征在于包括以下步驟
(1)在20～30℃條件下，先將待測量的毛細管內壁用流體完全潤濕，然后向與該毛細管兩端連通的任一個儲液罐內注入與潤濕毛細管所用的同種流體，使毛細管該端端口被液封；
(2)調節毛細管兩端的壓力差ΔP，其數值由毛細管兩端的壓力顯示器的讀數差值得到，即ΔP＝P1-P2；
(3)通過帶有CCD探測器的顯微鏡將毛細管及毛細管中的氣液界面放大后在計算機屏幕上顯像，測定氣液界面在計算機屏幕上特定長度內的通過時間，再結合顯微鏡的放大倍數，計算出毛細管中流體的實際運動速率v；
(4)根據Washburn方程作v(ΔP)關系直線，由直線的橫截距得出Pc值，再根據Laplace公式計算出毛細管半徑r。
2.根據權利要求1所述的測量毛細管內徑的方法，其特征在于步驟(1)中在使用毛細管前對毛細管內壁進行疏水化處理，具體步驟為
(a)以疏水化試劑為溶質、非質子非極性溶劑為溶劑，配制質量百分含量為1～70％的溶液；
(b)將配好的溶液注入毛細管任一端的儲液罐中，然后對此端進行施壓使毛細管中充滿溶液，維持反應1～15小時；
(c)用非質子非極性溶劑充分洗滌毛細管以除去步驟(b)中未反應的試劑，然后將毛細管于100～300℃干燥，冷卻至室溫即得到內壁疏水化的毛細管。
3.根據權利要求2所述的測量毛細管內徑的方法，其特征在于所述疏水化試劑的結構通式為
其中，R為彼此相同的含碳原子數1～40的烷基，X為Cl、Br或I。
4.根據權利要求2所述的測量毛細管內徑的方法，其特征在于所述非質子非極性溶劑為碳原子數3～40的直鏈烷烴及其全鹵代物、四氯化碳、六鹵代乙烷、結構對稱的烷烴或結構對稱且不含質子氫的芳香烴。
5.一種權利要求1所述的測量毛細管內徑的方法中所用的裝置，其特征在于包括流體流速測量單元和流體兩端壓力控制單元，所述流體流速測量單元包括計算機、與計算機相連的帶有CCD探測器的顯微鏡、置于顯微鏡下方的活動支架和置于活動支架上用于盛裝流體并與毛細管兩端連通的儲液罐；所述流體兩端壓力控制單元包括與儲液罐相連用于對流體兩端壓力進行傳感的壓力傳感器、與儲液罐相連的壓力緩沖罐、與壓力傳感器相連的壓力顯示器和與壓力緩沖罐相連的高壓儲氣瓶。
6.根據權利要求5所述的測量毛細管內徑的方法所用的裝置，其特征在于所述壓力緩沖罐上設有壓力調節閥。
全文摘要
本發明公開了一種測量毛細管內徑的方法和裝置，該方法為在20～30℃條件下，對毛細管流體兩端施壓，用顯微鏡對毛細管和其中的氣液界面放大，通過CCD檢測器將光學影像傳輸到計算機后顯像，測定氣液界面在計算機屏幕上特定長度內的通過時間，再結合放大倍數計算出流體的運動速率，根據Washburn方程作v(ΔP)關系直線得出Pc值，再根據Laplace公式計算出毛細管半徑r。測量裝置包括計算機、帶有CCD檢測器的顯微鏡、儲液罐、活動支架、壓力傳感器、壓力緩沖罐、壓力顯示器和儲氣瓶。本發明方法測定范圍在微米級，避免了毛細管材質的密度、質量等對測量結果的影響，裝置結構簡單、設計合理，參數方便控制。
文檔編號G01B13/00GK101598537SQ200910063298
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月24日 優先權日2009年7月24日
發明者付金華, 王中才, 高春寧, 李學豐, 武平倉, 周雯菁, 余光明, 董金鳳 申請人:武漢大學, 中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司勘探開發研究院
專業數控銑床產品供應商
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